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AMPK分子综述及研究前景

生物化学课程论文
AMPK概述及研究前景
摘要：
AMPK是一种能够感受能量分子变化的激酶，被称为生物体内能量调控的开关；本文从结构，功能，调控手段三个方面简要介绍了AMPK，并对最近关于AMPK与寿命的研究做了一定的总结，最后对可能的研究方向提出了自己的想法。
关键词：AMPK；糖代谢；脂代谢；AMPK上游激酶；新陈代谢； 寿命；
1 概述
AMPK 全称为AMP activated protein kinase,即AMP依赖的蛋白激酶，是一个能够感受AMP变化的能量激酶，是生物能量代谢调节中的关键分子。
AMP是生物体内的能量分子，是ATP的前体物质，它通过两步反应生成：
ATP ADP+ Pi
2ADP AMP+ATP
研究发现，当人体消耗ATP使其浓度下降10%时，AMP浓度的相对增长量比ADP浓度的相对增长量大的多，如下表所示：

表1：ATP,AMP,ADP浓度相对变化图[1]
因此，在许多代谢的调控过程中，AMP的变化都是一个重要的参量，AMPK就是这样一个能够感受到这一信号的分子，它能够感受到AMP的浓度变化，当AMP浓度上升到一定程度后，AMPK被激活，从而抑制合成代谢，促进分解代谢。
图一：AMPK 在糖代谢和脂代谢中的作用[2]
如图所示，AMPK被[AMP]的上升或者[ATP]的下降激活，被交感神经激活，或者被脂肪组织释放的瘦素，胰岛素等激活，被激活之后，AMPK通过磷酸化目标蛋白，使多个组织中的新陈代谢朝向产生能量的方向，削弱糖原，脂肪酸，胆固醇的合成，促进肝脏内的糖酵解，促进脂肪酸的氧化，向下丘脑传递信号促进摄食。达到调控新陈代谢的目的。因此AMPK也被称作新陈代谢的开关。
1 AMPK的结构
AMPK是一个异源三聚体，由三个不同的亚基构成，分别为催化亚基α，调节亚基β和γ。

如图二所示，α亚基为催化亚基，由550个氨基酸构成，在N末端含有一个丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶的催化域，该催化域内172位上含有一个苏氨酸残基可被磷酸化在C末端，有一段大约含有150氨基酸的部位用于与γ亚基和β亚基连接。[3]
β亚基形成βsheet结构[4]，起到稳定α亚基和β亚基之间连接的作用[3].
γ亚基有331个氨基酸构成，含有AMP或者ATP的结合位点，如图三所示，4个结合位点，被称作CBS DOMAIN，CBS区域可以与含有腺苷集团的分子结合，如ATP或者AMP [5]，从图三中我们可以看到，γ亚基主要由αhelix组成，在1.2.3位点旁边都有一个ASP残基，与核苷酸核糖上的羟基相互作用，腺嘌呤夹在βloop中 间，由一系列疏水作用力连接，因此CBS与AMP或者ATP的结合是十分紧密的。[4]
四个AMP/ATP结合位点都有磷酸基团指向γ亚基的中心区域，在伽马亚基的中心区域含有很多带电的氨基酸如His，Arg。根据与结合位点相连的分子不同（AMP，使之激活，ATP使之被抑制），这些带电的氨基酸会重新排列，引起伽马亚基的构象变化。[4]

AMPK的结构并没有被完全了解清楚，图四是他的大致结构图。红色的是γ亚基，蓝色的是α亚基，绿色的是β亚基。从图四中我们可以看到，α亚基与γ亚基之间的结合是十分紧密，这与他们的功能密切相关。
AMPK的作用机理就是：当两个AMP与γ亚基结合后，导致γ亚基发生构象变化，使位于α亚基上的催化位点（苏氨酸）暴露出来，磷酸化苏氨酸, AMPK 被激活。[4]
然而γ亚基的构象变化是如何传递到α亚基上的呢？目前还没有研究清楚。目前科学家确定的是α亚基的一端延伸到γ亚基之上，形成一个“helix-loop-helix”结构，被称作regulatory sequences(RS)。如图四蓝色区域标记RS的位置所示。但是科学家们并不确定这样的结构能否在哺乳动物体内的AMPK中被找到[4]。

在2011年nature上发表的一篇文献中，具体讲解了这一机制。

如图五所示，在AMPK的α亚基上，除了含有催化位点的activation loop （在图六中用紫色标出）还有一个非常重要的αHOOK（图六中为深蓝色）,αHOOK与γ亚基上的第三个AMP/ATP的结合位点相互作用，γ亚基上Arg69的构象变化会与αHOOK之间产生空间位阻，从而会导致172位的磷酸化位点苏氨酸被暴露出来。[6]
2 AMPK的功能
3.1 AMPK对脂代谢的调节

图七：脂肪的合成与分解[7]
图七是脂肪的合成与分解示意图，其中，Malinyl-coA是非常关键的分子，它是合成长链脂肪酸的第一个中间产物，它本身还可以抑制carnitine acyltransferaseⅠ的活性，从而抑制Fatty acyl-coA进入线粒体基质β氧化。因此催化合成Malinyl-coA的乙酰辅酶A羧化酶（ACC）在脂肪酸的合成中起关键作用。
ACC就是AMPK的靶分子，激活AMPK可以使之磷酸化，抑制它的功能，从而抑制脂肪酸的合成。carnitine acyltransferaseⅠ的活性升高，促进脂肪酸的氧化。[7]
HMG-CoA reductase 也是AMPK的一个靶分子，是胆固醇合成过程中的一个重要的酶，AMPK磷酸化HMGR，抑制其功能，从而抑制胆固醇的合成。[8]
因此AMPK在肥胖和代谢综合征中具有一定的治疗意义。

2.2 AMPK对糖代谢的调节
糖代谢的调节通过调节葡萄糖的合成，葡萄糖的吸收两个过程的平衡来维持。吸收方面，AMPK可以磷酸化TBC1D1蛋白，导致GLUD4（一种葡萄糖转运蛋白）转移到细胞膜上，促进葡萄糖的吸收。（如图八所示）。合成方面，我们已经知道，AMPK可以通过抑制胆固醇以及脂肪酸的合成抑制合成代谢，因此科学家们推测AMPK也能够通过抑制糖原的合成（glycogen synthase）来抑制合成代谢。然而关于这方面的研究却得到了有争议性的结果。[8]

图八：AMPK与糖代谢总结[8]
科学家们首先发现 AMPK能够磷酸化muscle glycogen synthase（GS）位点2上的丝氨酸（如图八所示）。接着又进一步证明了GS 的活性在灌注了AICAR（一种AMP类似物）的小鼠体内很低。[8]
然而还有研究表明由于AMPK促进葡萄糖的吸收导致的glucose-6-phophaste浓度上升，glucose-6-phophaste通过变构调节提高糖原合成的活性(如图八黑色虚线箭头所示)，并且这个影响要大于AMPK对GS磷酸化的抑制影响，最终导致糖原合成被促进。[8]
高浓度的糖原也可以抑制AMPK的活性，通过与AMPK的βdomain结合。研究发现，AMPK的βdomain含有一个carbohydrate binding module（CBM）。有一个（α1→6）分支点的低聚糖比没有分支的，只含有α（1→4）糖苷键的低聚糖更能抑制AMPK的活性。然而在活体中糖原究竟是否能抑制AMPK的活性仍旧是未知。[8]

2.3 其他

除了糖代谢和脂代谢，AMPK还可以调控许多其他的代谢过程，例如通过抑制蛋白质翻译激活蛋白mTOR来抑制蛋白质的合成等。目前已知的AMPK的调控路径如图九所示，在这里不一一赘述。

图九 AMPK调控代谢图

3 AMPK活性调节
之前说到AMPK是通过调节亚基γ与AMP结合，变构调节使催化亚基α上172位的苏氨酸暴露出来，磷酸化苏氨酸，AMPK被激活。那么苏氨酸又是怎样被磷酸化的呢？这就说到了AMPK的上游激酶。

图十：AMPK的活性调节[3]
如图十所示，AMPK可以被上游激酶磷酸化，也可以被protein phosphatases （目前认为可能是protein phosphate-2C（PP2C））去磷酸化。关于AMPK的上游激酶，已经发现了至少两种,其中之一是LKB1，它最开始被认为是一种肿瘤抑制因子。LKB1与两个亚基STRAD,MO25形成复合物发挥作用。人们最初认为，LKB1是一种持续有活性的激酶，这样AMPK的活性就仅依赖于体内AMP/ATP的比值。然而最近有研究发现，LKB1并不一定是持续有活性的，它的活性与其在肝脏中的乙酰化状态有关。
AMPK的另一种磷酸化渠道是通过CaMKKβ激酶，其活性与细胞质内钙离子的浓度有关，这意味着AMPK也可以在不存在[AMP]上升的情况下被激活。
目前人们对AMPK上游激酶的了解尚不充分，对LKB1的研究较多，对其他的几种激酶人们尚不是很了解。[3]
除了上游激酶，AMPK还可以受到激素（如脂联素 adiponectin,胃饥饿素ghrelin 瘦素leptin等），细胞因子等的调节。
4 最近研究——AMPK与寿命
在自然环境中生活的生物，或多或少会面临环境压力，如饥饿，高温，渗透压变化等。而应激与寿命有很高的相关性。大量研究证实应激与衰老是通过某些信号通路控制的。
AMPK可以调控细胞的能量新陈代谢，过度的能量消耗则会增加衰老的过程。大约10年前，人们发现对啮齿类动物的饮食限制可以延长他们的寿命，人们开始猜想这些过程与能量的调控开关AMPK有关。
在生物体内的进一步研究发现，AMP-activated kinase-2(AAK-2,一种AMPK)在寿命的调节中具有重要意义。在线虫，果蝇等模式生物中过量表达AAK-2/AMPK,同时用metformin(一种降血糖的糖尿病治疗药物)激活AAK-2，使它们的寿命得到了提高(Apfeld et al.2004; Curtis et al., 2006; Onken and Driscoll, 2010)。在小鼠体内的研究发现，敲除掉AMPKα2之后，会导致新陈代谢的紊乱，进而影响其寿命。[10]
因此人们开始对metformin展开研究。人们先是发现metformin能够提高非糖尿病哺乳动物的寿命，metformin 有两个可能的调节途径，一个是通过AMPK，另外一个是通过AMPK的上游激酶LKB1，LKB1再激活AMPK降低葡萄糖的产生增加葡萄糖的吸收。
这里具体讲到两位科学家：Onken 和Driscoll，他们用线虫具体研究了通过AMPK,AMPK的上游激酶LKB1对线虫寿命的影响。[11]
首先说一下线虫，他们用的线虫是秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans），它通体透明，便于观察；生命周期短，从受精卵发育到可产卵成虫只需3.5天；繁殖率高，一条繁殖期的成虫大约能产生三百多个后代；并且，其与人类有较多同源基因。因此在寿命的研究上线虫是一个很理想的模式生物。
但是目前人们只知道metformin对寿命影响的大致结果，其机制尚不清楚。

图十一：metformin对于线虫寿命调节的可能机制[11]
图十一是Onken和Driscoll 用线虫做出的可能调控机制的简单路线，具体来说就是metformin激活LKB1，LKB1激活AMPK，AMPK激活SKN-1，缓解氧化应激，提高寿命。在ASI神经元调节路线上，SKN-1与AMPK的相对位置还并不确定。[11]
5 AMPK的应用及贡献
由于AMPK在糖代谢以及脂代谢中的重要功能，他在二型糖尿病的治疗中做出了很大贡献。他可以调节基因表达改善糖脂代谢，因此许多针对AMPK活性的药物便被开发出来。Metformin很早就应用与治疗糖尿病，但由于其根本作用机制不明确，长期受到争议。直到人们发现其靶分子是AMPK，具体机制为Metformin先激活AMPK上游激酶LKB1，进一步激活AMPK调节糖代谢。目前，Metformin已经成为糖尿病治疗中的基础药品。
此外，AMPK对心血管疾病，肿瘤细胞的治疗都起到了很重要的作用。
6 展望
从上述总结可以看到，关于AMPK的研究主要集中在两个方面：一是关于AMPK的激活，这涉及到AMPK上游激酶的研究，AMPK结构的研究，一些激素，细胞因子的研究，神经对AMPK的调节研究等。另一个方面涉及激活的AMPK是如何调节代谢的。包括糖代谢，脂代谢，蛋白质合成，细胞自噬，基因表达等。这些方面都还有很多未知等待我们去研究。

[1] Lehninger Principles of biolchemistry fifth edition page 576 table 15-4
[2] Lehninger Principles of biolchemistry fifth edition page 576 figure15-6
[3] Viollet B, Lantier L, Devin-Leclerc J, et al. Targeting the AMPK pathway for the treatment of Type 2 diabetes.[J]. Frontiers in Bioscience, 2009, 14:: 3380–3400.
[4] Kemp B E, Oakhill J S, Scott J W. AMPK Structure and Regulation from Three Angles[J]. Structure, 2007, 15(10):1161-3.
[5] From Wikipedia:CBS domain https://en.wikipedia.org/wiki/CBS_domain
[6] Xiao B, Sanders M J, Underwood E, et al. Structure of mammalian AMPK and its regulation by ADP.[J]. Nature, 2011, 472(7342):230-3.
[7] Lehninger Principles of biolchemistry fifth edition page661 figure17-12
[8] Ha J, Guan K L, Kim J. AMPK and autophagy in glucose/glycogen metabolism[J]. Molecular Aspects of Medicine, 2015, 46:46-62.
[9] Lehninger Principles of biolchemistry fifth edition page935 figure23-40
[10] Salminen A, Kai K. AMP-activated protein kinase (AMPK) controls the aging process via an integrated signaling network[J]. Ageing Research Reviews, 2012, 11(2):230-241.
[11] Onken B, Driscoll M. Metformin induces a dietary restriction-like state and the oxidative stress response to extend C. elegans Healthspan via AMPK, LKB1, and SKN-1.[J]. Plos One, 2010, 5(1):e8758-e8758.

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